KR20090064569A - 정전 척의 급전구조 및 그 제조방법 및 정전 척 급전구조의 재생방법 - Google Patents

정전 척의 급전구조 및 그 제조방법 및 정전 척 급전구조의 재생방법 Download PDF

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Abstract

금속 기판의 상면측에 금속 기판으로부터 가까운 순서로 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층을 포함하여 이루어지는 정전 척에 있어서, 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층에 균열이 발생하기 어려운 정전 척의 급전구조를 제공한다.
상기 금속 기판의 상하면 사이를 관통하는 관통구멍과, 상기 관통구멍 내에 배치되고, 금속 기판의 하면측으로부터 공급된 전압을 상면측에 적층된 전극층에 공급하는 급전 단자와, 전기 절연성 재료로 형성되어 상기 관통구멍의 내벽과 급전 단자 사이를 절연하는 동시에 상기 급전 단자를 지지하는 절연 지지부재로 구성된 정전 척의 급전구조로서, 상기 급전 단자가 금속 기판의 상면측에 돌출되는 급전측 단부를 가지고, 상기 급전측 단부의 선단이 상기 전극층과 하부 절연층의 계면보다 전극층측이며 상기 전극층과 표면 절연 유전층의 계면 이하에 위치한다.
정전 척, 급전구조, 절연, 전극, 세라믹

Description

정전 척의 급전구조 및 그 제조방법 및 정전 척 급전구조의 재생방법{FEEDING STRUCTURE OF ELECTROSTATIC CHUCK, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND METHOD FOR REGENERATING FEEDING STRUCTURE OF ELECTROSTATIC CHUCK}
본 발명은 반도체 소자 제조 프로세스에서 사용되는 플라즈마 처리장치, 전자 노광장치, 이온 주입장치 등이나, 액정 패널의 제조에 사용되는 이온 도핑장치 등에 포함되는 정전 척(Electrostatic Chuck)에 있어서, 정전 척의 전극층에 급전(給電)하기 위한 급전구조에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조 프로세스에서 사용되는 플라즈마 처리장치, 전자 노광장치, 이온 주입장치 등이나, 액정 패널의 제조에 사용되는 이온 도핑장치 등에서는, 피처리물인 반도체 웨이퍼나 유리 기판에 손상을 주지 않고, 반도체 웨이퍼나 유리 기판을 확실하게 지지하는 것이 요망되고 있다. 특히 최근에는, 처리하는 대상인 반도체 웨이퍼나 유리 기판에의 오염이 엄격히 관리되는 것에서, 종래에 있어서 사용되고 있던 기계적으로 반도체 웨이퍼 등을 클램핑(clamping)하는 방식은 그 대부분이 전기적인 정전 흡착력을 이용하는 정전 척 방식으로 대체되고 있다.
정전 척은 금속 기판상에 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층을 포함하여 이루어지고, 표면 절연 유전층이 반도체 웨이퍼나 유리 기판을 지지하는 흡착 면을 형성한다. 그리고 금속 기판의 상하면을 관통하는 관통구멍 내에 마련한 급전 단자를 통해 외부로부터 상기 전극층에 고전위를 부여함으로써, 표면 절연 유전층의 표면(즉 흡착면)에 분포하는 전하와, 흡착면에 배치한 피처리물에 분극 대전(帶電)한 전하 사이에 쿨롱힘(Coulomb force)이나 존슨 라벡힘(Johnsen-Rahbeck force)이 발생하여, 혹은 정전기에 의한 그래디언트힘(gradient force)이 발생하여 피처리물인 반도체 웨이퍼 등을 흡착 지지한다.
그런데, 예를 들면 플라즈마 장치에서 반도체 웨이퍼를 에칭 처리하는 경우, 반도체 웨이퍼의 온도는 200℃~400℃정도까지 상승한다. 그 때문에, 처리 중인 웨이퍼 온도를 적정 온도로 냉각하기 위해, 금속 기판의 내부에 마련된 관로(管路)에 냉매를 흘려보냄으로써 웨이퍼의 온도 상승을 방지하고 있다. 그런데, 정전 척의 표면 절연 유전층측은 고온에 노출되고, 금속 기판측은 거의 냉매의 온도로 유지되는 것에서, 이들 사이에서는 온도 경사가 발생하며, 예를 들면 표면 절연 유전층과 하부 절연층 사이에서 최대 수백도의 온도 경사가 발생한다. 또한 당연하지만, 장치의 가동시와 휴지의 사이에 있어서도 정전 척 자체에 최대 수백도의 온도 경사가 발생한다.
정전 척에 이와 같은 온도 사이클의 부하가 걸리면, 특히 전극층에 전압을 공급하는 급전구조에 있어서 갖가지 트러블이 발생할 우려가 있다. 즉, 급전 단자나 전극층 등과 같은 도전체와, 하부 절연층이나 표면 절연 유전층 등과 같은 절연체는 각각 열팽창율이 다르기 때문에 도전체와 절연체가 접촉하는 부분이 복잡하게 되어 있는 급전 단자의 주변에서는 균열이 발생하기 쉽다. 이와 같은 균열은 정전 척의 온도 특성의 국부적 열화 등의 문제나 파티클(particle)의 발생 등을 일으키는 요인이 된다.
도 4는 정전 척의 급전구조의 종래예를 나타낸다. 금속 기판(1)에 마련된 관통구멍(7)에는 절연 지지부재(2)를 통해 급전 단자(3)가 배치되고, 상기 급전 단자(3)는 도 1b에 나타내는 바와 같이, 그 선단이 전극층(5)과 접촉함으로써, 금속 기판(1)의 하면측으로부터 공급된 전압을 전극층(3)에 공급한다. 여기서, 상술한 바와 같은 균열은, 예를 들면 급전 단자(3)의 선단이 전극층(5)과 접촉하는 부분의 가장자리에서 발생하기 쉽고(균열(8a)), 또한 급전 단자(3), 절연 지지부재(2), 및 하부 절연층(4)이 서로 접하는 부분에서도 마찬가지로 균열이 발생하기 쉽다(균열(8b)).
그리하여, 정전 척이 열 부하를 받은 경우의 영향을 경감하기 위한 방법이 몇가지 제안되어 있다. 예를 들면, 세라믹 기판의 내부에 마련된 전극층에 급전하는 급전 단자를 솔더링하는 동시에 급전 단자의 단면(端面)에 중공부를 마련하고, 상기 중공부에 세라믹 기판과 같은 정도의 열팽창 계수를 가지는 응력 완화재를 삽입하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조). 또한 급전 단자의 단면과 금속-세라믹스 복합재료로 이루어지는 기판의 상면이 같은 높이가 되도록, 기판에 마련된 관통구멍 내에 세라믹스제의 외피부를 통해 급전 단자를 배치하고, 이어서 급전 단자의 단면에 마스킹(masking)을 하여 용사(溶射;thermal spray) 처리로 절연층을 형성하며, 또한 마스킹을 제거하여 급전 단자의 단면을 노출시킨 후에, 금속 재료를 용사하여 전극층을 형성하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 2 참조). 또한 내 부에 전극층을 포함한 세라믹 기판의 하면측으로부터 전극층을 관통하는 관통구멍을 마련하고, 그 내벽에 메탈라이즈층을 형성하는 동시에 솔더링에 의해 관통구멍 내에 급전 단자를 고정하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 3 참조).
그러나 특허문헌 1 및 3과 같이 솔더링에 의해 급전 단자를 고정할 경우, 솔더재 자체에 열 부하가 걸리기 때문에 문제를 보다 복잡화한다. 또한 솔더링 작업 그 자체는 수작업이기 때문에 신뢰성도 떨어진다. 한편, 특허문헌 2와 같이, 기판 내에 배치된 급전 단자의 단면을 기판의 상면과 같은 높이가 되도록 조정한 후에, 용사에 의해 전극층을 형성하여 급전 단자의 단면과 전극층을 접촉시키는 방법으로는, 작업 효율은 개선되지만, 열 부하에 대한 신뢰성 면에서는 더욱 개선이 필요하다. 즉, 급전 단자와 전극층은 서로 면으로 접촉하기 때문에 열 부하가 걸린 경우에 신뢰성에 문제가 남는다.
[특허문헌 1] 일본국 공개특허공보 평11-074336호
[특허문헌 2] 일본국 공개특허공보 2003-179127호
[특허문헌 3] 일본국 공개특허공보 평10-189696호
정전 척의 열 부하에 의한 영향은 정전 척의 급전구조에 관계하며, 구체적으로는 급전 단자와 전극층의 계면의 형상이나, 실제로 열 부하가 걸린 경우에 금속 기판, 급전 단자, 절연 지지부재, 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층 사이에서의 힘이 걸리는 방법에 관계한다. 이들 관계에 대하여, 지금까지는 충분히 검토가 이루어져 있지 않다.
그리하여, 본 발명은 정전 척이 열 부하나 열 사이클을 받았을 때에, 급전구조에서 발생하는 열 응력을 완화할 수 있고, 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층에 균열이 발생하기 어려운 급전구조로 함으로써, 정전 척의 온도 특성의 국부적 열화나 파티클의 발생 등의 문제를 가급적으로 회피하고, 또한 정전 척의 수명을 늘리는 것을 과제로 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층에 균열이 발생하기 어려운 정전 척의 급전구조를 제공하는 것에 있다. 또한 본 발명의 다른 목적은 이와 같은 정전 척의 급전구조를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 각종 장치에서 사용된 정전 척의 급전구조를 재생함으로써 다 사용한 정전 척을 유효하게 이용할 수 있는 정전 척 급전구조의 재생방법을 제공하는 데 있다.
즉, 본 발명은 금속 기판의 상면측에 금속 기판으로부터 가까운 순서로 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층을 포함하여 이루어지는 정전 척에 있어서, 상기 금속 기판의 상하면 사이를 관통하는 관통구멍과, 상기 관통구멍 내에 배치되고, 금속 기판의 하면측으로부터 공급된 전압을 상면측에 적층된 전극층에 공급하는 급전 단자와, 전기 절연성 재료로 형성되어 상기 관통구멍의 내벽과 급전 단자 사이를 절연하는 동시에 상기 급전 단자를 지지하는 절연 지지부재로 구성된 정전 척의 급전구조로서, 상기 급전 단자가 금속 기판의 상면측에 돌출되는 급전측 단부를 가지고, 상기 급전측 단부의 선단이 상기 전극층과 하부 절연층의 계면보다 전극층측이며 상기 전극층과 표면 절연 유전층의 계면 이하에 위치하는 것을 특징으로 하는 정전 척의 급전구조이다.
또한 본 발명은 금속 기판의 상면측에 금속 기판으로부터 가까운 순서로 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층을 포함하여 이루어지는 정전 척에 있어서, 상기 금속 기판의 상하면 사이를 관통하는 관통구멍과, 상기 관통구멍 내에 배치되고, 금속 기판의 하면측으로부터 공급된 전압을 상면측에 적층된 전극층에 공급하는 급전 단자와, 전기 절연성 재료로 형성되어 상기 관통구멍의 내벽과 급전 단자 사이를 절연하는 동시에 상기 급전 단자를 지지하는 절연 지지부재로 구성되는 정전 척 급전구조의 제조방법으로서, 관통구멍 내에 절연 지지부재를 통해 급전 단자가 배치되는 동시에 금속 기판의 상면측에 급전 단자의 일부가 돌출된 금속 기판의 상면측에 세라믹 분말을 용사하여 하부 절연층을 형성하는 공정과, 금속 분말을 용사하여 금속 기판의 상면측에 돌출된 급전 단자의 급전측 단부의 선단을 매설(埋設)하도록, 또는 급전측 단부의 선단과 같은 면을 이루도록 전극층을 형성하는 공정과, 세라믹 분말을 용사하여 표면 절연 유전층을 형성하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 정전 척 급전구조의 제조방법이다.
또한 본 발명은 금속 기판의 상면측에 금속 기판으로부터 가까운 순서로 하부 절연층, 전극층, 표면 절연 유전층을 포함하여 이루어지는 정전 척에 있어서, 상기 금속 기판의 상하면 사이를 관통하는 관통구멍과, 상기 관통구멍 내에 배치되어 금속 기판의 하면측으로부터 공급된 전압을 상면측에 적층된 전극층에 공급하는 급전 단자와, 전기 절연성 재료로 형성되어 상기 관통구멍의 내벽과 급전 단자 사이를 절연하는 동시에 상기 급전 단자를 지지하는 절연 지지부재로 구성되는 급전 척의 급전구조를 재생하는 방법으로서, 다 사용한 정전 척의 금속 기판으로부터 표면 절연 유전층, 전극층 및 하부 절연층을 제거하는 공정과, 관통구멍 내에 절연 지지부재를 통해 급전 단자가 배치되어 있는 동시에 금속 기판의 상면측에 급전 단자의 일부가 돌출된 금속 기판의 상면측에 세라믹 분말을 용사하여 하부 절연층을 형성하는 공정과, 금속 분말을 용사하여 금속 기판의 상면측에 돌출된 급전 단자의 급전측 단부의 선단을 매설하도록, 또는 급전측 단부의 선단과 같은 면을 이루도록 전극층을 형성하는 공정과, 세라믹 분말을 용사하여 표면 절연 유전층을 형성하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 정전 척 급전구조의 재생방법이다. 또한 본 발명에 있어서는, 정전 척의 표면 절연 유전층측에 반도체 웨이퍼나 유리 기판 등의 피처리물을 배치하여 흡착시키기 때문에, 금속 기판의 상하면을 칭할 경우는, 피처리물을 배치하는 표면 절연 유전층측을 상면측이라 칭하고, 그 반대측을 하면측이라 칭한다.
<발명의 효과>
본 발명의 정전 척의 급전구조는 급전 단자의 급전측 단부의 선단이 전극층과 하부 절연층의 계면보다 절연층측이고 절연층과 표면 절연 유전층의 계면 이하에 위치하기 때문에, 급전 단자와 전극층이 확실하게 접촉하여 균열의 발생을 방지한다. 특히, 급전 단자의 급전측 단부를 선단에 소정의 면적을 가지는 꼭대기면을 가지는 동시에 선단을 향해 점차 지름이 작아지는 돌기상으로 형성함으로써, 하부 절연층에 걸리는 응력의 분산이 가능해져, 급전구조의 열 경사에 의한 열 부하나, 열 사이클에 의한 열 부하에 따른 표면 절연 유전층, 전극층 및 하부 절연층에서의 균열을 억제할 수 있어, 정전 척의 온도 특성의 국부적 열화나 파티클의 발생 등의 문제를 가급적으로 회피할 수 있는 내구성이 뛰어난 정전 척을 얻는 것이 가능해진다. 또한 정전 척의 수명을 늘릴 수 있다.
또한 본 발명의 정전 척 급전구조의 재생방법에 의해, 다양한 장치에서 사용된 다 사용한 정전 척에 본 발명의 급전구조를 적용함으로써, 다 사용한 정전 척을 유효하게 이용할 수 있는 동시에 장(長)수명화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 정전 척의 급전구조를 나타내는 단면 설명도이다.
도 2는 전극층에 대한 급전측 단부(3a)의 선단의 위치 관계를 나타내는 단면 설명도이다.
도 3은 절연 지지부재의 일부(하부 절연층(4)측)를 다공질 세라믹으로 형성한 급전구조의 단면 설명도이다.
도 4a는 종래의 정전 척의 단면 설명도이고, 도 4b는 급전구조의 확대도(일부)이다.
<부호의 설명>
1: 금속 기판 2: 절연 지지부재
3: 급전 단자 3a: 급전측 단부
3b: 꼭대기면 3c: 측면
4: 하부 절연층 5: 전극층
6: 표면 절연 유전층 7: 관통구멍
8a, 8b: 균열 l1: 전극층과 하부 절연층의 계면
l2: 전극층과 표면 절연 유전층의 계면
x: 급전측 단부의 선단의 위치
이하, 첨부한 도면에 근거하여 본 발명의 적합한 실시의 형태를 구체적으로 설명한다.
우선, 본 발명의 정전 척의 급전구조에 대하여 설명한다. 도 1은 정전 척의 급전구조를 나타내는 단면 설명도이고, 금속 기판(1)의 상면측에 금속 기판(1)으로부터 가까운 순서로 하부 절연층(4), 전극층(5) 및 표면 절연 유전층(6)을 포함하여 이루어지는 정전 척의 급전구조를 확대한 것이다. 즉, 그 급전구조는 급전 기판(1)의 상하면 사이를 관통하는 관통구멍(7)과, 상기 관통구멍(7) 내에 배치되고, 금속 기판(1)의 하면측으로부터 공급된 전압을 상면측에 적층된 전극층(5)에 공급하는 급전 단자(3)와, 전기 절연성 재료로 형성되어 관통구멍(7)의 내벽과 급전 단자(3) 사이를 절연하는 동시에 급전 단자(2)를 지지하는 절연 지지부재(2)로 구성된다.
그리고 상기 급전 단자(3)는 금속 기판(1)의 상면측에 돌출되는 급전측 단부(3a)를 가지고, 그 급전측 단부(3a)의 선단이 상기 전극층(5)과 하부 절연층(4)의 계면보다 전극층(5)측이며, 상기 전극층(5)과 표면 절연 유전층(6)의 계면 이하에 위치하도록 한다. 즉, 전극층(5)과 하부 절연층(4)의 계면을 l1, 전극층(5)과 표 면 절연 유전층(6)의 계면을 l2로 하면, 본 발명에 있어서는, 급전측 단부(3a)의 선단의 위치(x)가 l1＜x≤l2의 관계식을 만족하도록 한다.
이 관계에 대하여, 도 2를 사용하여 구체적으로 설명하면, 도 2a에서는, 급전측 단부(3a)의 선단의 위치(x)가 전극층(5)과 하부 절연층(4)의 계면이고(x=l1), x는 상기 관계식을 만족하지 않는다. 한편, 도 2d에서는, x가 전극층(5)과 표면 절연 유전층(6)의 계면을 넘기 때문에(x＞l2), 상기 관계식을 만족하지 않는다. 급전측 단부(3a)의 선단이 표면 절연 유전층(6)의 내부에까지 달하면, 그 부분의 표면 절연 유전층이 얇아져, 고전압에 대한 절연성을 유지하지 못할 우려가 있기 때문이다. 이에 대하여, 도 2b에서는, 전극층(5)의 내부에 급전측 단부(3a)의 선단이 위치하고(x＞l1), x는 상기 관계식을 만족하며, 또한 도 2c에서는, x가 전극층(5)과 표면 절연 유전층의 계면이고(x=l2), 상기 관계식을 만족한다.
또한 본 발명에 있어서는, 급전측 단부(3a)의 선단의 위치(x)가 상기 관계식을 만족하는 것이면, 급전측 단부(3a)의 선단의 형상은 특별히 한정되지 않고, 소정의 면적을 가진 꼭대기면을 형성해도 되며, 혹은 정점(頂點)을 형성해도 된다. 바람직하게는 급전 단자(3)의 급전측 단부(3a)가 선단에 소정의 면적을 가지는 꼭대기면(3b)을 가지는 동시에 선단을 향해 점차 지름이 작아지는 돌기상으로 형성되어 있는 것이 좋다. 급전측 단부(3a)가 돌기상으로 형성되고, 선단에 꼭대기면(3b)을 가짐으로써, 급전 단자(3)와 전극층(5)이 확실히 접촉하여 방전 등을 일으킬 우 려가 가급적으로 배제된다. 또한 급전측 단부(3a)가 선단을 향해 점차 지름이 작아짐으로써, 하부 절연층(4)에 대하여 급전측 단부의 측면(3c)이 끼워맞춤의 관계로 접촉하게 되어, 열 부하에 의해 발생하는 응력을 비교적 광범위로 분산시킬 수 있어 균열의 발생을 방지할 수 있다. 또한 급전 단자(3)의 구체적인 크기에 대해서는, 처리하는 반도체 웨이퍼 등의 크기나 정전 척을 장비하는 장치의 형상 등에 따라서도 다르지만, 통상 외경(外俓)은 φ 2~10㎜이다. 또한 급전측 단부(3a)의 선단에 꼭대기면을 형성하는 경우에는, 예를 들면 직경 2~4.5㎜의 원형상으로 하는 것이 좋다.
또한 급전측 단부의 측면(3c)에 대해서는 적어도 하부 절연층(4)과 접하는 부분을 소정의 곡률(曲率)을 가진 곡면이 되도록 하는 것이 보다 바람직하다. 상기와 같은 응력 분산 효과를 보다 한층 향상시킬 수 있다. 여기서, 곡면을 형성하는 곡률 반경에 대해서는 특별히 제한되지 않고, 급전측 단부(3a)의 길이나 선단에 마련하는 꼭대기면의 크기 등의 따라서도 다르지만, 응력의 분산의 관점이나 전극층과의 접촉 면적을 종합하여 결정하면 된다. 구체적으로는 R0.25㎜~R1.5㎜정도의 범위로 하는 것이 좋고, 방전의 우려도 가급적으로 배제할 수 있다. 또한 본 발명에 있어서, 급전측 단부(3a)가 선단을 향해 점차 지름이 작아진다는 것은, 급전측 단부(3a)가 선단을 향해 지름이 넓어지는 경우를 배제하는 의미이다. 즉, 같은 지름인 부분이 존재해도 되고, 예를 들면 전극층(5)의 내부에 존재하는 급전측 단부(3a)에 대하여 선단까지 지름이 같아지도록 해도 된다.
다음으로, 상기 급전구조의 제조방법을 예시하면서, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
우선, 관통구멍(7) 내에 절연 지지부재(2)를 통해 급전 단자(3)가 배치된 금속 기판(1)을 준비한다. 이 때, 금속 기판(1)의 상면측에 급전 단자(3)의 일부를 돌출시켜 급전측 단부(3a)를 형성시킨다. 그리고, 상기 금속 기판(1)의 상면측에 알루미나, 질화알루미늄 등의 세라믹 분말을 용사하여 하부 절연층을 형성한다. 여기서, 세라믹 분말의 순도에 대해서는 바람직하게는 99.9~99.99%인 것이 좋다. 또한 하부 절연층(4)의 막 두께는 장치가 사용되는 환경에 따라서도 다르지만, 통상 200~500㎛로 하는 것이 좋다.
상기 급전 단자(3)의 재질에 대해서는 특별히 제한되지 않지만, 내식성의 관점에서 바람직하게는 금속티탄으로 형성된 것이 좋다. 또한 금속 기판에 대해서는, 통상 사용되는 것이면 되고, 예를 들면 알루미늄, 구리, 스테인리스, 이들을 포함한 각종 합금 외에 세라믹과 금속의 복합재(MMC) 등을 들 수 있다. 또한 급전 단자(3)와 절연 지지부재(2) 사이, 절연 지지부재(2)와 관통구멍(7)의 내벽 사이에 대해서는, 예를 들면 에폭시계나 실리콘계의 접착제를 사용하여 접합하도록 해도 된다.
한편, 절연 지지부재(2)의 재질에 대해서는, 예를 들면 수지, 머시너블(machinable) 세라믹, 알루미나 세라믹, 용사에 의한 알루미나 세라믹 등을 들 수 있는데, 바람직하게는 적어도 금속 기판의 상면측에 노출되는 부분에 대해서는 다공질 세라믹으로 이루어지도록 하는 것이 좋다. 도 3에는 절연 지지부재(2)의 하부 절연층(4)측의 일부를 다공질 세라믹(2a)으로 형성한 경우의 단면 설명도를 나 타낸다. 이와 같이, 금속 기판(1)의 상면측에 노출되는 부분을 다공질 세라믹으로 형성한 후에, 세라믹 분말의 용사에 의해 하부 절연층(4)을 형성하면 다공질의 구멍에 세라믹 분말이 용사되어 강고한 접합 부분을 형성할 수 있다. 또한 하부 절연층(4)측의 일부를 다공질 세라믹으로 하여 하부 절연층과 접촉시킨 경우의 효과는 급전측 단부의 선단의 위치나 급전 단자의 형상에 관계없이 독립적으로 발휘할 수 있다. 단, 본 발명의 급전구조에 의한 급전측 단부의 선단의 위치나 형상과 조합함으로써 균열 발생을 억제하는 효과가 보다 한층 향상한다.
예를 들면 급전 단자가 금속티탄제인 경우, 티탄의 열팽창 계수는 8.6×10-6/℃로서, 하부 절연층이나 후술하는 전극층을 형성하는 재질보다도 일반적으로 크다(예를 들면 알루미나 6.5×10-6/℃, 텅스텐 4.5×10-6/℃). 그 때문에 급전 단자(3)가 열 부하를 받으면 절연 지지부재(2)의 방향에 응력이 발생하고, 하부 절연층(4)과 절연 지지부재(2) 사이에서 서로 떨어지게 되는 힘이 작용하여 균열의 원인이 될 수 있다. 그리하여, 상기와 같이 절연 지지부재(2)와 하부 절연층(4)을 동등한 재료로 형성하는 동시에 양자의 계면에서의 접합을 보다 강고하게 함으로써 균열의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한 다공질 세라믹의 기공율에 대해서는, 바람직하게는 0.5~30%인 것이 좋고, 특히 5~10%이면 하부 절연층(4)과의 연속성이 확보되기 쉬우며, 또한 실리콘, 에폭시수지, 아크릴수지 등을 사용하여 행하는 기공의 봉입 처리성의 관점에서 보다 바람직하다. 또한 절연 지지부재(2)의 재질을 다공질 세라믹으로 하는 경우는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 적어도 하부 절연 층(4)과 접촉하는 부분만을 다공질 세라믹으로 형성해도 되고, 혹은 절연 지지부재(2)를 모두 다공질 세라믹으로 형성해도 된다.
이어서, 상기에서 형성한 하부 절연층(4)에 금속 분말을 용사하여 전극층(5)을 형성한다. 이 때, 금속 기판(1)의 상면측에 돌출된 급전 단자(3)의 급전측 단부(3a)의 선단의 위치(x)가 l1＜x≤l2의 관계식을 만족하도록, 즉, 급전측 단부(3a)의 선단이 전극층(5) 내에 매설되도록, 또는 급전측 단부(3a)의 선단과 전극층(5)이 동일 면을 형성하도록 한다. 전극층(5)을 형성하기 위해 사용하는 금속 분말에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 내구성이나 용사의 간이성의 관점에서, 바람직하게는 고융점 금속인 것이 좋고, 구체적으로는 몰리브덴이나 텅스텐을 사용하는 것이 좋다. 사용하는 금속 분말의 순도는 99.99%이상인 것이 바람직하다. 또한 전극층(5)의 막 두께에 대해서는, 장치가 사용되는 환경에 따라서도 다르지만, 통상 20~60㎛로 하는 것이 좋다. 또한 전극층(5)은 상기와 같은 고융점 금속을 페이스트상으로 한 것을 도포하여 형성하는 것도 가능하지만, 내구성 면에서 용사보다도 떨어진다.
그리고, 상기 전극층(5)에 알루미나, 질화알루미늄 등의 세라믹 분말을 용사하여 표면 절연 유전층(6)을 형성하면, 본 발명의 급전구조를 포함한 정전 척을 얻을 수 있다. 상기 표면 절연 유전층(6)을 형성하는 세라믹 분말의 순도에 대해서는, 하부 절연층(4)의 경우와 동일하다. 또한 표면 절연 유전층(6)의 막 두께에 대해서는, 장치가 사용되는 환경에 따라서도 다르지만, 통상 200~500㎛로 하는 것이 좋다. 또한 반도체 웨이퍼 등을 흡착시키는 표면 절연 유전층(6)의 표면에 대해서는, 평탄성이 5~10㎛의 범위 내가 되도록 평탄화 처리를 행하는 것이 좋다. 또한 하부 절연층(4), 전극층(5) 및 표면 절연 유전층(6)의 노출면에 대해서는, 용사에 의해 형성된 기공을 봉입하는 목적으로, 예를 들면 실리콘수지, 에폭시수지, 아크릴수지 등을 사용하여 진공 함침 처리해도 된다.
또한 본 발명의 급전구조의 제조방법을 이용하여, 다 사용한 정전 척의 급전구조를 재생할 수도 있다. 즉, 다 사용한 정전 척의 금속 기판(1)으로부터 표면 절연 유전층(6), 전극층(5) 및 하부 절연층(4)을 기계적 또는 화학적으로 제거하여, 관통구멍 내에 급전 단자가 배치되어 있는 동시에 금속 기판의 상면측에 급전 단자의 일부가 돌출된 금속 기판을 준비한다. 그리고, 급전구조의 제조방법과 동일하게 하여 하부 절연층(4), 전극층(5) 및 표면 절연 유전층(6)을 형성하면 본 발명의 급전구조를 포함한 정전 척으로 재생할 수 있다.
전극층을 형성하는 공정에 앞서, 급전 단자의 급전측 단부의 높이를 조정하거나, 선단에 소정의 면적을 가지는 꼭대기면을 가지는 동시에 선단을 향해 점차 지름이 작아지는 돌기상으로 가공하도록 해도 된다. 또한 다 사용한 정전 척으로부터 표면 절연 유전층(6), 전극층(5) 및 하부 절연층(4)을 제거할 때에 절연 지지부재(2)도 제거하도록 하여 신품으로 교환하도록 해도 된다. 이 때, 적어도 금속 기판(1)의 상면측에 노출되는 부분이 다공질 세라믹으로 이루어지도록 해도 된다. 또한 다 사용한 정전 척에 대해서는, 각종 장치에서 소정 시간 사용되어 제품 수명이 끝난 것 외에, 제품 수명에 달하기 전에 어떠한 트러블에 의해 표면 절연 유전 층(6)이 열화하거나, 균열이 발생하거나, 그 외에 손상이나 소모 등에 의해 사용을 계속할 수 없게 된 것도 포함한다.
<실시예 1>
도 1에 나타낸 급전구조를 가지는 정전 척의 실시예를 설명한다.
φ 230㎜×두께 48㎜의 알루미늄제 금속 기판(1)을 준비하였다. 상기 금속 기판(1)의 상면측의 평탄도는 10㎛이하이다. 금속 기판(1)에는 상하면을 관통하는 최대 지름이 φ 11.1㎜의 관통구멍(7)이 형성되어 있고, 또한 도시한 것 외의 관로가 복수 형성되어 있다. 관로에 대해서는, 냉각수를 사용하여 금속 기판(1)을 직접 냉각할 수 있는 것과, 정전 척에 배치한 반도체 웨이퍼 등의 피처리물의 이면에 헬륨 등의 가스를 유도할 수 있는 것이다.
급전 단자(3)는 티탄재를 기계 가공하여 얻은 것으로서, 최대 외경은 φ 5㎜, 길이 47㎜이다. 또한 급전측 단부(3a)의 선단에는 직경 3㎜의 꼭대기면(3b)이 형성되어 있고, 급전측 단부(3a)의 측면(3c)은 곡률 반경(R)이 1㎜인 곡면으로 이루어진다. 상기 급전 단자(3)는 금속 기판(1)의 상면측에 350㎛ 돌출된 급전측 단부(3a)가 형성되도록 수지제의 절연 지지부재(2)를 통해 관통구멍(7) 내에 배치되고, 급전 단자(3)와 절연 지지부재(2) 사이 및 절연 지지부재(2)와 관통구멍(7)의 내벽 사이는, 각각 도시한 것 이외의 에폭시계의 접착제에 의해 접합된다. 또한 도 1에 나타낸 절연 지지부재(2)의 외경은 11㎜이다.
상기와 같이 급전 단자(3)를 관통구멍(7) 내에 배치하고, 급전 단자(3)의 급전측 단부(3a)가 돌출된 금속 기판(1)의 상면측에 순도 99.99%의 알루미나를 용사 하여 두께 300㎛의 하부 절연층(4)을 형성하였다. 이어서, 순도 99.99%의 텅스텐을 용사하여 급전 단자(3)의 꼭대기면(3b)과 같은 높이가 되도록 두께 50㎛의 전극층(5)을 형성하였다. 또한 전극층(5)을 형성하는 공정 전에는, 하부 절연층(4)을 형성하기 위해 사용한 알루미나가 급전 단자(3)에 부착되어 있었기 때문에 불필요한 알루미나를 제거하였다.
이어서, 전극층(5) 위에 순도 99.99%의 알루미나를 용사하여 두께 300㎛의 표면 절연 유전층(6)을 형성하였다. 그 후 표면 절연 유전층(6)의 표면의 평탄성이 5~10㎛의 범위 내가 되도록 처리하고, 또한 하부 절연층(4), 전극층(5) 및 표면 절연 유전층(6)의 노출면을 봉입하기 위해, 실리콘을 사용하여 진공 함침 처리를 행하여 정전 척을 완성시켰다. 또한 하부 절연층(4), 전극층(5) 및 표면 절연 유전층(6)을 용사할 때에는 대기 용사로 행하였다.
<실시예 2>
다음으로, 다 사용한 정전 척의 급전구조를 재생하는 경우의 실시예를 설명한다.
우선, 다 사용한 정전 척으로부터 일부 수작업을 병행하면서 기계적 절삭에 의해 표면 절연 유전층(6), 전극층(5), 및 하부 절연층(4)을 제거하였다. 금속 기판(1)으로부터 하부 절연층(4)을 제거할 때에는, 0.1~0.5㎜의 범위로 금속 기판(1)의 상면측을 제거하여 평탄성을 10㎛이하로 하였다.
이어서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 급전 단자의 급전측 단부를 볼엔드밀(ball end mill)로 가공하여, 선단에 직경 3㎜의 꼭대기면(3b)을 형성하고, 또한 R1㎜의 곡률 반경을 가지는 측면(3c)을 형성하였다. 그리고, 하부 절연층(4)의 막 두께를 300㎛+α(α는 금속 기판(1)의 상면측을 깎아낸 만큼에 상당)로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 하부 절연층(4), 전극층(5) 및 표면 절연 유전층(6)을 형성하고, 본 발명의 급전구조를 포함한 정전 척으로 재생하였다. 또한 상기 α는 재생 전후에서의 금속 기판의 두께 조정율로서, 예를 들면 금속 기판을 연마하여 0.5㎜ 제거한 경우는 α=0.5㎜로서 하부 절연층(4)을 형성한다. 그 결과, 재생 전후의 정전 척의 능력을 동등하게 할 수 있다.
<실시예 3>
도 3에 나타내는 급전구조를 가지는 정전 척의 실시예를 설명한다.
실시예 1과 동일한 금속 기판(1) 및 급전 단자(3)를 준비하여, 금속 기판(1)의 관통구멍(7) 내에 절연 지지부재(2)를 통해 배치하였다. 이 때, 하부 절연층(4)측에는 기공율은 5~10%의 알루미나제 절연 지지부재(2a)를 사용하였다. 상기 알루미나제 절연 지지부재(2a)는 후에 형성하는 하부 절연층(4)과 같은 재질로서, 외경이 11㎜, 길이가 10㎜이다. 그 이외에는 실시예 1과 동일하게 하였다.
이어서, 알루미나제 절연 지지부재(2a)가 노출된 금속 기판(1)의 상면측에 순도 99.99%의 알루미나 분말을 용사하여 막 두께 300㎛의 하부 절연층(4)을 형성하였다. 이 때, 하부 절연층(4)의 일부가 알루미나제 절연 지지부재(2a)와 접촉하여 강고한 접합면을 형성하였다. 이후, 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 급전구조를 포함한 정전 척을 완성시켰다.
<실시예 4>
도 4에 나타낸 종래예의 정전 척을 사용하여 도 3에 나타내는 급전구조를 가지는 정전 척을 재생하는 실시예를 설명한다.
우선, 실시예 2와 동일하게 하여 다 사용한 정전 척으로부터 표면 절연 유전체(6), 전극층(5), 및 하부 절연층(4)을 제거하고, 그 후 금속 기판(1)의 관통구멍(7)으로부터 다 사용한 급전 단자 및 절연 지지부재를 제거하였다. 이어서, 금속 기판(1)의 상면측을 연마해 0.1~0.5㎜의 범위로 제거하여 평탄성을 10㎛이하로 하였다. 또한 실시예 2와 마찬가지로 급전 단자의 급전측 단부를 볼엔드밀로 가공하여, 선단에 직경 3㎜의 꼭대기면(3b)을 형성하고, 또한 측면에는 R1㎜의 곡률 반경을 가지는 곡면(3c)을 형성하였다.
그리고, 상기 급전 단자를 금속 기판(1)의 관통구멍(7) 내에 절연 지지부재(2)를 통해 배치하였다. 이 때, 하부 절연층(4)측에는 기공율은 5~10%의 알루미나제 절연 지지부재(2a)를 사용하였다. 상기 알루미나제 절연 지지부재(2a)는 후에 형성하는 하부 절연층(4)과 같은 재질로서, 외경이 11㎜, 길이가 10㎜이다. 그 이외에는 실시예 1과 동일하게 하였다.
이어서, 알루미나제 절연 지지부재(2a)가 노출된 금속 기판(1)의 상면측에 순도 99.99%의 알루미나 분말을 용사하여 막 두께 300㎛+α(α는 금속 기판(1)의 상면측을 깎아낸 만큼에 상당)의 하부 절연층(4)을 형성하였다. 이 때, 하부 절연층(4)의 일부가 알루미나제 절연 지지부재(2a)와 접촉하여 강고한 접합면을 형성하였다. 이후, 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 급전구조를 포함한 정전 척을 재생하였다.
본 발명에 의하면, 정전 척이 열 부하나 열 사이클을 받았을 때, 급전구조에서 발생하는 열 응력을 완화할 수 있고, 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층에 균열이 발생하기 어려운 급전구조로 할 수 있기 때문에, 정전 척의 온도 특성의 국부적 열화나 파티클의 발생 등의 문제를 가급적으로 회피하고, 또한 정전 척의 수명을 늘리는 것이 가능하다. 그 때문에, 신규의 정전 척을 제조하는 경우는 물론, 다 사용한 정전 척을 이용하여 본 발명의 급전구조를 포함한 정전 척으로 재생하는 것도 가능하고, 종래, 경우에 따라서는 폐기되었던 다 사용한 정전 척을 유효하게 이용할 수 있다. 또한 특히 정전 척의 급전구조에 제한되지 않고, 동일한 열 부하나 기계적 부하를 받는 것, 예를 들면 자동차의 엔진, 고열로, 전력의 터빈(turbine) 등에도 적용 가능하다.

Claims (9)

  1. 금속 기판의 상면측에 금속 기판으로부터 가까운 순서로 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층을 포함하여 이루어지는 정전 척에 있어서,
    상기 금속 기판의 상하면 사이를 관통하는 관통구멍과, 상기 관통구멍 내에 배치되고, 금속 기판의 하면측으로부터 공급된 전압을 상면측에 적층된 전극층에 공급하는 급전 단자와, 전기 절연성 재료로 형성되어 상기 관통구멍의 내벽과 급전 단자 사이를 절연하는 동시에 상기 급전 단자를 지지하는 절연 지지부재로 구성된 정전 척의 급전구조로서, 상기 급전 단자가 금속 기판의 상면측에 돌출되는 급전측 단부를 가지고, 상기 급전측 단부의 선단이 상기 전극층과 하부 절연층의 계면보다 전극층측이며 상기 전극층과 표면 절연 유전층의 계면 이하에 위치하는 것을 특징으로 하는 정전 척의 급전구조.
  2. 제1항에 있어서,
    급전 단자의 급전측 단부가 선단에 소정의 면적을 가지는 꼭대기면을 가지는 동시에 선단을 향해 점차 지름이 작아지는 돌기상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 척의 전극 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    적어도 하부 절연층과 접하는 급전 단자의 급전측 단부의 측면이 소정의 곡 률을 가진 곡면인 것을 특징으로 하는 정전 척의 전극 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    급전 단자가 금속티탄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 정전 척의 전극 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    절연 지지부재가 적어도 금속 기판의 상면측에 노출되는 부분이 다공질 세라믹으로 이루어지고, 하부 절연층이 상기 다공질 세라믹에 접하도록 세라믹 분말을 용사하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전 척의 전극 구조.
  6. 금속 기판의 상면측에 금속 기판으로부터 가까운 순서로 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층을 포함하여 이루어지는 정전 척에 있어서,
    상기 금속 기판의 상하면 사이를 관통하는 관통구멍과, 상기 관통구멍 내에 배치되고, 금속 기판의 하면측으로부터 공급된 전압을 상면측에 적층된 전극층에 공급하는 급전 단자와, 전기 절연성 재료로 형성되어 상기 관통구멍의 내벽과 급전 단자 사이를 절연하는 동시에 상기 급전 단자를 지지하는 절연 지지부재로 구성되는 정전 척 급전구조의 제조방법으로서, 관통구멍 내에 절연 지지부재를 통해 급전 단자가 배치되는 동시에 금속 기판의 상면측에 급전 단자의 일부가 돌출된 금속 기판의 상면측에 세라믹 분말을 용사하여 하부 절연층을 형성하는 공정과, 금속 분말 을 용사하여 금속 기판의 상면측에 돌출된 급전 단자의 급전측 단부의 선단을 매설하도록, 또는 급전측 단부의 선단과 같은 면을 이루도록 전극층을 형성하는 공정과, 세라믹 분말을 용사하여 표면 절연 유전층을 형성하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 정전 척 급전구조의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    절연 지지부재가 적어도 금속 기판의 상면측에 노출된 부분이 다공질 세라믹으로 이루어지고, 상기 다공질 세라믹에 접하여 하부 절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 정전 척 급전구조의 제조방법.
  8. 금속 기판의 상면측에 금속 기판으로부터 가까운 순서로 하부 절연층, 전극층 및 표면 절연 유전층을 포함하여 이루어지는 정전 척에 있어서,
    상기 금속 기판의 상하면 사이를 관통하는 관통구멍과, 상기 관통구멍 내에 배치되고, 금속 기판의 하면측으로부터 공급된 전압을 상면측에 적층된 전극층에 공급하는 급전 단자와, 전기 절연성 재료로 형성되어 상기 관통구멍의 내벽과 급전 단자 사이를 절연하는 동시에 상기 급전 단자를 지지하는 절연 지지부재로 구성되는 정전 척의 급전구조를 재생하는 방법으로서, 다 사용한 정전 척의 금속 기판으로부터 표면 절연 유전층, 전극층 및 하부 절연층을 제거하는 공정과, 관통구멍 내에 절연 지지부재를 통해 급전 단자가 배치되어 있는 동시에 금속 기판의 상면측에 급전 단자의 일부가 돌출된 금속 기판의 상면측에 세라믹 분말을 용사하여 하부 절 연층을 형성하는 공정과, 금속 분말을 용사하여 금속 기판의 상면측에 돌출된 급전 단자의 급전측 단부의 선단을 매설하도록, 또는 급전측 단부의 선단과 같은 같은 면을 이루도록 전극층을 형성하는 공정과, 세라믹 분말을 용사하여 표면 절연 유전층을 형성하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 정전 척 급전구조의 재생방법.
  9. 제8항에 있어서,
    전극층을 형성하는 공정에 앞서, 급전 단자의 급전측 단부를 선단에 소정의 면적을 가지는 꼭대기면을 가지는 동시에 선단을 향해 점차 지름이 작아지는 돌기상으로 가공하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 척 급전구조의 재생방법.
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